Становление субатомной физики

За столетие, прошедшее после открытия первой эле­ментарной частицы — электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897), человечество узнало о структуре материи гораздо больше, чем за все предыдущие тысячелетия. Уже к концу перво­го десятилетия XX в. стало ясно, что «неделимый» атом имеет планетарную структуру (Э. Резерфорд, 1911), в цен­тре которой находится очень маленькое положительно заряженное ядро окруженное «точечными», отрицатель­но заряженными электронами, последовательно запол­няющими дискретные орбиты.

В 1896 г. А. Беккерель открыл радиоактивность тяже­лых элементов. Последующее исследование этого явления (П. и М. Кюри и др.) убедительно показало, что ядро, как и атом, имеет внутреннюю структуру. В 1919 г. Э. Резерфорд идентифицировал протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик обнару­жил другую субъядерную частицу — нейтрон. Из этих двух частиц (их называют нуклонами) состоят, как тогда счита­лось, ядра атомов, причем число протонов определяет за­ряд ядра, а число нуклонов — его массу. В том же 1932 г. произошло еще одно сенсационное событие в области фи­зики элементарных частиц: исследуя космические лучи, американский физик К. Андерсон впервые наблюдал пози­троны, теоретически предсказанные П. Дираком в 1928 г.

Дальнейшее продвижение вглубь материи требовало существенной модернизации экспериментальных методов и создания мощных ускорителей. Дело в том, что разме­ры элементарных частиц чрезвычайно малы, например радиус ядра составляет всего 10^-15 м, что в сто тысяч раз меньше самых маленьких атомов. Чтобы «увидеть» такие объекты (не глазом, конечно, а соответствующими прибо­рами), необходимо «осветить» их потоком излучения или частиц с длиной волны, значительно (на 1-2 порядка) меньшей, чем размер исследуемого объекта. В противном случае дифракционные эффекты могут до неузнаваемости исказить получаемое «изображение». Аналогичная проблема в области исследования молекулярных структур успешно решается с помощью электронных микроскопов, в которых объект зондируется пучком быстрых или, как говорят физики, жестких электронов.

Применяемые в совре­менных электронных микроскопах ускоряющие напряже­ния порядка 10⁶ В соответствуют длине волны электронов порядка 10^-12 м. С пучками, имеющими такую длину волны, мож­но изучать молекулярные и даже атомные структуры, когда требуется разрешение порядка 10^-10 м. Оче­видно, что для исследования элементарных частиц, име­ющих субъядерные размеры порядка 10^-15 м и меньше, необходимы в миллиарды раз более мощные пучки. С этой целью и создаются ускорители, в которых пучки электро­нов или более тяжелых частиц (протонов, нейтронов и т. п.) многократно проходят область ускоряющего напряжения. Энергии таких пучков настолько велики, что позволяют не только «рассматривать», но и «дробить» исследуемые объ­екты, в том числе и элементарные частицы. Используемые для экспериментов в этой области гигантские ускорители поражают своим весом, размерами и стоимостью.